例中，在鋁酸鈣接合劑方面，為了使與鈦合金的反應(yīng)最小化，申請(qǐng)人使用特定量的氧化鈣(CaO)。
[0081]在一個(gè)實(shí)施例中，表面涂層包括具有小于大約50微米的顆粒大小的鋁酸鈣接合劑。在另一實(shí)施例中，鋁酸鈣接合劑的顆粒大小小于大約10微米。在一個(gè)示例中，鑄模主體具有尺寸大于50微米的顆粒且可包含氧化鋁。
[0082]表面涂層具有比鑄模主體少的氧化鋁和多的鋁酸鈣接合劑。按重量比例計(jì)算，固有表面涂層與鑄模主體相比可具有多至少百分之20的單鋁酸鈣、少至少百分之20的氧化鋁、和少至少百分之50的鈣鋁石。在一個(gè)示例中，固有表面涂層中的六鋁酸鈣包括0.01至0.20的重量比例；固有表面涂層中的單鋁酸鈣包括0.30至0.95的重量比例；固有表面涂層中的二鋁酸鈣包括0.05至0.30的重量比例；并且固有表面涂層中的鈣鋁石包括0.01至0.05的重量比例。固有表面涂層中的單鋁酸鈣和二鋁酸鈣的增大的重量比例降低在鑄造期間熔融合金與鑄模的反應(yīng)速率。
[0083]初始接合劑漿料被混合，以具有在30和300厘泊之間的黏度。在一個(gè)實(shí)施例中，黏度范圍為80和120厘泊之間。如果黏度過(guò)低，則漿料不可維持所有固體懸浮，并且將發(fā)生較重顆粒的沉淀并在固化期間導(dǎo)致偏析，且不會(huì)形成固有表面涂層。如果黏度過(guò)高，則鋁酸鈣顆粒不可分配至易消耗模，且不會(huì)形成固有表面涂層。具有鋁酸鈣接合劑、六鋁酸鈣、和氧化鋁顆粒的最終漿料被混合，以具有在近似2000和8000厘泊之間的黏度。在一個(gè)實(shí)施例中，該最終漿料黏度范圍為3000和6000厘泊之間。如果最終漿料/混合物黏度過(guò)高，則最終漿料混合物不會(huì)圍繞易消耗模流動(dòng)，且鑄模的內(nèi)部腔將不適用于鑄造最終所需的部分。如果最終漿料混合物黏度過(guò)低，則在固化期間將發(fā)生較重顆粒的沉淀，并且鑄模不會(huì)具有遍及鑄模主體的所需的均勻成分。
[0084]熔模鑄?；瘜W(xué)式由細(xì)小尺度(< 50微米)鋁酸鈣接合劑顆粒、細(xì)小尺度(< 50微米)氧化鋁顆粒、細(xì)小尺度(< 50微米)六鋁酸鈣、和較大尺度(諸如> 50微米)氧化鋁顆粒的多相混合物組成。固有表面涂層不包含大于50微米的任何氧化鋁顆粒。由于在水基熔?；旌衔镏袘腋〉募?xì)小尺度接合劑顆粒和六鋁酸鈣顆粒在鑄模制作期間優(yōu)先地分配至易消耗/蠟?zāi)Ｇ倚纬筛缓?xì)小尺度顆粒(< 50微米)(包括六鋁酸鈣、單鋁酸鈣、二鋁酸鈣和自由氧化鋁顆粒)的固有表面涂層，故形成固有表面涂層。在一個(gè)實(shí)施例中，在表面涂層中不存在大尺度氧化鋁顆粒(諸如> 50微米)。漿料黏度和固體含量是形成固有表面涂層的要素。固有表面涂層中不存在大尺度(諸如>50微米)顆粒改善了鑄模和所得鑄件的表面光潔度。固有表面涂層中的單鋁酸鈣和二鋁酸鈣的增大的重量比例降低在鑄造期間熔融合金與鑄模的反應(yīng)速率。
[0085]在鑄模主體中，鋁酸鈣接合劑為粘合劑，并且該粘合劑被認(rèn)為是在表面涂層后方的鑄模結(jié)構(gòu)的主要骨架。其為鑄模中的連續(xù)相并且在固化和鑄造期間提供強(qiáng)度。在一個(gè)實(shí)施例中，鑄模主體成分包括細(xì)小尺度(< 50微米)鋁酸鈣接合劑顆粒、和較大尺度(諸如>50微米)氧化鋁顆粒。在另一實(shí)施例中，固有表面涂層成分包括鋁酸鈣接合劑和六鋁酸鈣。
[0086]構(gòu)成表面涂層的鋁酸鈣接合劑包括至少三個(gè)相:單鋁酸鈣(CaAl2O4)、二鋁酸鈣(CaAl4O7)、和鈣鋁石(Ca12Al14O33)。在一個(gè)實(shí)施例中，表面涂層還可包含細(xì)小尺度氧化鋁顆粒。在一個(gè)實(shí)施例中，表面涂層還可包含六鋁酸鈣。在另一實(shí)施例中，在表面涂層后方的鑄1?主體包括單銷酸媽(CaAl2O4)、—(CaAl4O7)、媽銷石(Ca12Al14O33)、八銷酸媽、和氧化鋁。氧化鋁可作為大尺度氧化鋁顆粒(諸如大于50微米)(例如中空氧化鋁顆粒)而加入。該顆?？删哂卸喾N幾何外形，諸如圓顆粒、或不規(guī)則聚體。氧化鋁顆粒大小可小為50微米并且大為10mm。
[0087]在一個(gè)實(shí)施例中，氧化鋁由圓顆粒和中空顆粒二者組成，因?yàn)檫@些幾何外形降低了熔融鑄?；旌衔锏酿ざ?。典型地，鑄模主體中的氧化鋁顆粒大小可大于50微米。該黏度影響接合劑在熔融鑄模混合物的澆鑄和凝固期間圍繞易消耗模分配至易消耗模(諸如蠟)的方式。該黏度還影響了鑄模的表面光潔度，和從鑄模生產(chǎn)的最終鑄件的表面特征的重現(xiàn)精度。
[0088]根據(jù)某些實(shí)施例，如果初始接合劑混合物的黏度過(guò)低，則漿料不會(huì)維持所有固體懸浮，并且將發(fā)生較重顆粒的沉淀并在固化期間導(dǎo)致偏析，且不會(huì)形成固有表面涂層。如果黏度過(guò)高，則鋁酸鈣顆粒不可分配至易消耗模，且不會(huì)形成固有表面涂層。如果最終混合物黏度過(guò)高，則最終漿料混合物不會(huì)圍繞易消耗模流動(dòng)，空氣將被截留在漿料混合物與模之間，且鑄模的內(nèi)部腔將不適用于鑄造最終所需的部分。如果最終漿料混合物黏度過(guò)低，則將在固化期間發(fā)生較重顆粒的沉淀，并且鑄模將不會(huì)具有遍及鑄模主體的所需的均勻成分，并且將損害所得鑄件的質(zhì)量。
[0089]生成表面涂層的鋁酸鈣接合劑微粒通常具有小于50微米的顆粒大小。小于50微米的顆粒大小具有若干優(yōu)點(diǎn)，包括:第一，細(xì)小顆粒大小在鑄模混合和固化期間促進(jìn)水硬性粘結(jié)的形成，第二，細(xì)小顆粒大小可在煅燒期間促進(jìn)顆粒間燒結(jié)，并且這可增大鑄模強(qiáng)度，且第三，細(xì)小顆粒大小改善鑄模腔的表面光潔度。鋁酸鈣接合劑粉末可以以其固有形式、或以聚集的形式(諸如噴霧干燥聚體)使用。鋁酸鈣接合劑還可在與較大尺度氧化鋁混合之前與細(xì)小尺度(< 10微米)氧化鋁預(yù)摻合；該細(xì)小尺度氧化鋁由于高溫煅燒期間的燒結(jié)而可提供強(qiáng)度的增加。然而，如果氧化鋁顆粒分配至表面涂層，則可降低鑄件特性。
[0090]例如，如果氧化鋁顆粒分配至表面涂層，使得固有表面涂層具有比鑄模主體多的氧化鋁，則熔融合金將以非期望的方式與氧化鋁反應(yīng)且生成氣泡，該氣泡造成表面缺陷和鑄件自身內(nèi)的缺陷。降低了所得鑄件的特性，諸如強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度。當(dāng)前公開的方法允許如下表面涂層的形成，該表面涂層與在鑄模主體中相比具有顯著更少的氧化鋁。
[0091]表面涂層和鑄模的從室溫至最終煅燒溫度的處理也可為重要的，尤其是熱歷史和濕度分布。到煅燒溫度的加熱速率和煅燒之后的冷卻速率是非常重要的。如果過(guò)快地加熱表面涂層和鑄模，則它們可內(nèi)部地或外部地破裂，或二者；鑄造之前的表面涂層和鑄模破裂是極不期望的，其至少將產(chǎn)生差的表面光潔度。此外，如果過(guò)快地加熱鑄模和表面涂層，則鑄模的表面涂層可裂開或碎裂；在最壞的情形下，這可導(dǎo)致最終鑄件中非期望的夾雜物，和差的表面光潔度(即使不存在夾雜物)。如果在達(dá)到最大鑄模煅燒溫度之后過(guò)快地冷卻表面涂層和鑄模，則鑄模的表面涂層或主體還可內(nèi)部地或外部地裂開，或二者。
[0092]如在下面段落中將描述的，初始接合劑混合物的固體含量和最終鑄模混合物的固體含量對(duì)鑄模結(jié)構(gòu)和在鑄模內(nèi)形成固有表面涂層的能力具有重要影響。固體含量的百分比定義為混合物中的總固體除以混合物中的液體和固體的總質(zhì)量，其被描述為百分比。在一個(gè)實(shí)施例中，初始六鋁酸鈣-鋁酸鈣接合劑液體混合物中的固體百分比為從大約百分之65至百分之80。
[0093]如果初始六鋁酸鈣-鋁酸鈣接合劑液體混合物中的固體含量少于大約百分之65，則六鋁酸鈣和鋁酸鈣接合劑顆粒不會(huì)保持懸浮，并且在鑄模的固化期間，接合劑顆粒將從水分離，并且成分將不會(huì)均勻地遍及鑄模。相反，如果六鋁酸鈣-鋁酸鈣接合劑液體混合物中的固體含量太高(例如大于大約百分之80)，則具有大尺度氧化鋁的最終混合物的黏度將過(guò)高(例如大于大約百分之85，取決于添加的大尺度氧化鋁顆粒的量、大小和形態(tài))，且混合物中的六鋁酸鈣和鋁酸鈣接合劑顆粒將不能分配至鑄模內(nèi)的易消耗模，并且將不形成固有表面涂層。
[0094]在一個(gè)實(shí)施例中，具有大尺度(在一個(gè)實(shí)施例中意味著大于大約50微米，并且在另一實(shí)施例中大于大約100微米)氧化鋁顆粒的最終六鋁酸鈣-鋁酸鈣接合劑液體混合物中的固體百分比為大約百分之75到大約百分之95。在一個(gè)實(shí)施例中，具有大尺度氧化鋁顆粒的最終六鋁酸鈣-鋁酸鈣接合劑液體混合物中的固體百分比為大約百分之78至大約百分之88。在另一實(shí)施例中，具有大尺度氧化鋁顆粒的最終六鋁酸鈣-鋁酸鈣接合劑液體混合物中的固體百分比為大約百分之78至大約百分之84 ο在特定實(shí)施例中，具有大尺度氧化鋁顆粒的最終六鋁酸鈣-鋁酸鈣接合劑液體混合物中的固體百分比為大約百分之80。
[0095]鑄模制作和鑄造方法
通過(guò)按配方制作陶瓷組分的熔?；旌衔锴覍⒃摶旌衔餄茶T到包含易消耗模的容器中而形成熔模鑄模。形成在模上的熔模鑄模被允許徹底地固化以形成所謂的“未加工鑄模(green mold)”。固有表面涂層和熔模鑄模形成在模上，并且允許它們徹底固化以形成該未加工鑄模。典型地，以I小時(shí)到48小時(shí)的時(shí)間執(zhí)行該未加工鑄模的固化。隨后，通過(guò)熔化、分解、點(diǎn)燃、或其他已知模移除技術(shù)來(lái)從該未加工鑄模選擇性地移除易消耗模。用于蠟?zāi)Ｒ瞥牡湫头椒ò緺t脫蠟(小于150攝氏度)、熔爐脫蠟(大于150攝氏度)、蒸汽高壓釜脫蠟和微波脫蠟。
[0096]為了鑄造鈦合金、和鈦鋁以及其合金，在高于600攝氏度(例如600到1400攝氏度)的溫度下煅燒未加工鑄模以超過(guò)I小時(shí)的時(shí)間段(優(yōu)選地為2到10小時(shí))，以提高用于鑄造的鑄模強(qiáng)度，并且移除鑄模中的任何非期望殘留雜質(zhì)，諸如金屬物質(zhì)(Fe、N1、Cr)、和含碳物質(zhì)。在一個(gè)示例中，煅燒溫度為至少950攝氏度。煅燒鑄模的氣氛通常為環(huán)境空氣，盡管可使用惰性氣體或還原氣體氣氛。
[0097]煅燒處理還從鑄模移除水且將鈣鋁石轉(zhuǎn)換為單鋁酸鈣。鑄模煅燒過(guò)程的另一目的為使在鑄造之前殘存在表面涂層和鑄模中的任何自由硅石最小化。其他目的為增加高溫強(qiáng)度，和增加單鋁酸鈣和二鋁酸鈣的量。
[0098]將鑄模從室溫加熱到最終煅燒溫度，具體而言，控制熱歷史。通常調(diào)節(jié)或控制到煅燒溫度的加熱速率和煅燒之后的冷卻速率。如果過(guò)快地加熱鑄模，則它可內(nèi)部地或外部地破裂，或二者；鑄造之前的鑄模破裂是極不期望的。此外，如果過(guò)快地加熱鑄模，則鑄模的內(nèi)部表面會(huì)破裂和裂開。這可導(dǎo)致在最終鑄件中的非期望的夾雜物，和差的表面光潔度(即使不存在夾雜物)。類似地，如果在達(dá)到最大溫度之后過(guò)快地冷卻鑄模，則鑄?？蓛?nèi)部地或外部地破裂，或二者。
[0099]在本公開中描述的鑄模成分特別適用于鈦和鈦鋁合金。煅燒之后且鑄造之前的表面涂層和鑄模主體成分可影響鑄模特性，特別是關(guān)于組成相。在一個(gè)實(shí)施例中，為了鑄造，采用鑄模中的高重量比例(例如，0.15到0.6的重量比例)的單鋁酸鈣。此外，為了鑄造，有時(shí)期望使鈣鋁石的重量比例最小化(例如，使用0.01到0.2的重量比例)，因?yàn)殁}鋁石為水敏性的并且其在鑄造期間可導(dǎo)致水釋放和氣體生成的問(wèn)題。
[0100]在鍛燒之后，鑄模還可包含小重量比例的鋁硅酸鹽和鋁硅酸鈣。為了使鑄模與鑄件的反應(yīng)最小化，在一個(gè)實(shí)施例中，主體中的鋁硅酸鹽和鋁硅酸鈣的重量比例之和可通常保持到小于5%，在另一實(shí)施例中小于2%，且在又一實(shí)施例中小于1%，且在一個(gè)實(shí)施例中，表面涂層中的鋁硅酸鹽和鋁硅酸鈣的重量比例可通常保持到小于0.5%，在另一實(shí)施例中小于0.2%，且在又一實(shí)施例中小于0.1%。
[0101]本公開的一個(gè)方面是用于形成用于鑄造含鈦物品的鑄造鑄模的方法，該方法包括:(a)提供六鋁酸鈣-鋁酸鈣接合劑混合物的初始漿料，其中，該初始漿料中的固體百分比為大約65%到大約80%，且該初始漿料的黏度為大約30到大約300厘泊；(b)將大尺度氧化物顆粒(大于50微米)添加到該初始漿料中以產(chǎn)生最終漿料，該最終漿料包括具有大尺度氧化物顆粒的六鋁酸鈣-鋁酸鈣接合劑混合物，使得該最終漿料中的固體百分比為大約75%到大約95%; (c)將該最終漿料加入到鑄模腔中，該鑄模腔包含易消耗模；和(d)允許該最終漿料在鑄模腔中固化，以形成用于鑄造含鈦物品的鑄模。
[0102]在一個(gè)實(shí)施例中，提供初始漿料的步驟包括:將六鋁酸鈣和鋁酸鈣接合劑與液體結(jié)合以產(chǎn)生六鋁酸鈣-鋁酸鈣接合劑混合物的初始漿料，其中，該初始漿料中的固體百分比為大約65%到大約80%，且該初始漿料的黏度為大約30到大約300厘泊。
[0103]在一個(gè)實(shí)施例中，提供初始漿料的步驟包括:將六鋁酸鈣和鋁酸鈣接合劑與液體結(jié)合，以產(chǎn)生六鋁酸鈣-鋁酸鈣接合劑混合物的初始前漿料，其中，該初始前漿料中的固體百分比為大約41%到大約65% ;并且將更多的六鋁酸鈣、鋁酸鈣接合劑、和/或液體添加到該初始漿料中以產(chǎn)生初始漿料，該初始漿料具有大約65%到大約80%的固體百分比和大約30到大約300厘泊的黏度。如在本文中所使用的，將六鋁酸鈣和鋁酸鈣接合劑與液體結(jié)合指是包括將這些化合物與液體結(jié)合的所有可能的方法。例如，六鋁酸鈣和鋁酸鈣接合劑與液體的結(jié)合可包括但不限于:(i)將六鋁酸鈣和鋁酸鈣接合劑混合在一起，并且然后將液體添加到六鋁酸鈣/鋁酸鈣接合劑混合物；(ii)將六鋁酸鈣與液體混合，并且然后添加到鋁酸鈣接合劑中；(iii)將鋁酸鈣接合劑與液體混合，并且然后添加到六鋁酸鈣中；(iv)將六鋁酸鈣和鋁酸鈣接合劑同時(shí)添加到液體中；和(V)將六鋁酸鈣和鋁酸鈣接合劑與液體混合的任何其他變型和順序。
[0104]在某些實(shí)施例中，本公開的鑄造鑄模成分包括熔模鑄造鑄模成分。熔模鑄造鑄模成分包括近凈形、含鈦金屬、熔模鑄造鑄模成分。在一個(gè)實(shí)施例中，熔模鑄造鑄模成分包括用于鑄造近凈形鈦鋁物品的熔模鑄造鑄模成分。近凈形鈦鋁物品包括例如近凈形鈦鋁渦輪葉片。
[0105]正確的鋁酸鈣接合劑化學(xué)性質(zhì)和氧化鋁配方的選擇為鑄造期間的鑄模性能中的要素。在鋁酸鈣接合劑方面，需要調(diào)節(jié)自由氧化鈣的量以便使與鈦合金的反應(yīng)最小化。如果接合劑中的氧化鈣濃度按重量計(jì)算小于大約10%，則合金與鑄模起反應(yīng)，因?yàn)檠趸X濃度過(guò)高，并且該反應(yīng)生成鑄件中的非期望的氧濃度水平、鑄造構(gòu)件中